自润滑轴承掉块原因及自润滑关节轴承磨损和断裂举例

自润滑轴承具有承载能力打，耐磨性好，使用寿命较长等优点，广泛应用于飞机着陆系统，但是在进行飞机修理时常会发现自润滑轴承内圈出现掉块的现象，或者自润滑关节轴承出现磨损和断裂的现象，针对这些失效的现象，中华轴承网（简称：华轴网）根据对轴承知识的了解，来分享相关自润滑轴承失效实例的讲解。

1、自润滑轴承掉块形貌图及特征

如图1所示，自润滑轴承的外圈和自润滑层末见损伤，内圈上端面出现掉块，断口呈月牙状，断口处无明显的塑性变形及腐蚀现象。断口的左侧存在一处由断口向基体扩展的裂纹（A裂纹），其内侧已扩展至接近轴承上端面，外侧扩展速度较内侧缓慢。此外，在内圈上与A裂纹呈圆心对称位置处还存在一处裂纹（B裂纹），此裂纹近似直线状，从轴承上端面起源，向内扩展。

图1 自润滑轴承宏观形貌

在体式显微镜下观察内圈断口形貌，结果见图2。整个断口上扩展棱线明显，裂纹扩展路径为：裂纹在轴承右侧上端面处起源，而后沿轴承内侧由内向外同时扩展。在沿内侧扩展至左侧上端面后，裂纹整体由内向外沿径向扩展，最终在轴承外侧形成瞬断区。整个断口外侧尤其是拐角处存在较多黄棕色附着物，为轴承内外圈相对转动过程中断口刮下的自润滑材料。

图2 断口体式形貌

2、自润滑轴承掉块的原因

经过宏观和微观检查，以及金相检测得知，轴承内圈的掉块断口形貌平齐，扩展棱线清晰，源区、扩展区及瞬断区明显，无宏观塑性变形，无腐蚀特征。由以上特征可以判定，轴承掉块的性质为疲劳断裂。

断口裂纹起源于端面内侧，并沿轴承内侧及径向扩展；在轴承内侧的扩展速度大于径向扩展速度。A裂纹起源于断口源区附近，在轴承内侧的扩展速度亦快于外侧扩展速度。以上现象均表明裂纹的形成源于轴对轴承的冲击力。由于裂纹的存在，掉块断裂之前受到的实际冲击力相对较小，故瞬断区面积较小。虽然轴承的硬度符合技术要求，但组织中较大的残余奥氏体及网状分布的碳化物显然会降低材料的冲击韧性，减小其对冲击载荷的承受能力。

由于飞机降落时起落架的下放角度相同，因而轴承受到冲击载荷最大时的位置即断口源区位置也固定。这也是B裂纹的位置与掉块断口的源区呈近似圆心对称的原因。

3、自润滑关节轴承磨损形貌图及特征

如图3、4所示，可见自润滑关节轴承一端球面磨损较严重，已露出金属基体，在轴承内、外圈之间为一层芳纶－聚四氟乙烯纤维织物衬垫，失效轴承的内圈仍可在外圈内随意转动。且内圈磨损球面对应的外圈滑动表面的衬垫已磨损，露出金属基体。磨损均在球面的一端，而另一端球面与衬垫均完好。从球面360°圆周方向观察发现，在球面340°范围内均有磨损。

图3自润滑关节轴承宏观形貌图

图4轴承内、外圈磨损宏观形貌图

4、自润滑关节轴承磨损原因分析

轴承表面磨损失效主要是由于轴承受单边力作用较大，超出轴承正常使用工况，导致轴承摩擦副磨损加速，造成轴承磨损失效。
从轴承磨损失效情况来看，球面陶瓷涂层和衬垫均有磨损，露出金属基体。对于自润滑关节轴承磨损失效可以从以下３个方面来分析：

（1）从衬垫先磨损失效来分析，由球面磨损形貌可知轴承单边受力较严重，导致轴承一端磨损较严重，在该处受力集中，超出衬垫的正常使用工况，导致该轴承中的衬垫快速损耗，衬垫磨穿后，使内圈陶瓷涂层和外圈金属基体接触，发生对磨，从而破坏了内圈陶瓷涂层，发生钢－钢对磨。

（2）从陶瓷涂层先磨损失效来分析，宏观观察可见陶瓷涂层有两种脱落形式，一是在摩擦过程中陶瓷涂层逐渐减薄，最终露出金属基体；二是陶瓷涂层结合较差，整块剥落，这种现象主要集中在轴承靠近端面区域。该失效轴承发生严重磨损的区域正好位于内圈陶瓷涂层和金属基体交界处，该处陶瓷涂层和金属基体黏结相对薄弱，易于剥落。该轴承在实际工况中，当内圈陶瓷涂层和金属基体交界处受单一方向载荷较大时，陶瓷涂层脱落，导致内圈金属基体和衬垫发生对磨，进而导致衬垫磨损加速，最终发生钢－钢对磨。

（3）在轴承使用过程中，可能有外来异物进入摩擦副中，使磨损因数增大，加速轴承的磨损。根据用户提供的试验载荷谱可知，失效轴承在试验过程中不受轴向力的作用。但从轴承磨损情况来看，轴承在受径向力的同时，也受轴向力的作用。

5、自润滑关节轴承断裂形貌图及特征

如图5嗾使，轴承内圈断口宏观形貌图，由图5a、5b可知，裂纹处无明显塑性变形，且且沿轴承端面向内部扩展。沿扩展方向人工打开裂纹形成断口试样(图5c)，观察该断口发现断面平坦、细腻，具有疲劳特征，其中在靠近内圈端面的断裂面为裂纹源区，如图5c中黑色箭头所指区域。源区为点源，呈灰黑色;源区侧表面(轴承端面)明显可见磨损、辗压特征，磨损方向为周向;整个断口均可见明显的疲劳扩展条纹(图5d)。

图5轴承内圈断口宏观形貌图

6、自润滑关节轴承断裂原因分析

通过宏观观察可知，裂纹无明显塑性变形，断口平坦、细腻，扩展区可见明显的疲劳辉纹，具有疲劳特征。由扫描电镜观察可知，轴承端面存在较明显的黏着磨损特征，磨损方向为周向。由金相分析可知，断口附近存在二次裂纹，并向内部扩展，在裂纹尾部还发生了扭曲变形，金属流线清晰见;主裂纹周围均未见异常，排除轴承制造过程中存在裂纹的可能性。轴承端面表层有明显塑性变形层，且厚度不均，有些区域塑性变形层已脱落并形成了凹坑，表明该轴承端面受力不均，并且在塑性变形层中有微裂纹。

杆端自润滑关节轴承进行疲劳试验时受到拉压载荷作用，如果轴承端面与工装的平面度配合不好，存在间隙，轴承端面与工装平面在试验过程中会存在挤压和相对位移，使两平面发生黏着磨损。轴承每次拉压都会产生金属显微组织的滑移，组织滑移累积后形成塑性流变层，塑性流变层越厚，表明磨损越严重。

失效轴承端面存在明显的磨损、辗压痕迹，这是典型的黏着磨损特征。轴承内圈端面裂纹的萌生主要是由于轴承端面与工装平面存在黏着磨损，使得轴承端面发生金属塑性流变，导致金属发生滑移、折叠。当轴承端面受到较大的切应力时，就会使端面表层金属发生塑性变形以致开裂，有些微裂纹向内部扩展，有些微裂纹则导致塑性变形层剥落，最终在轴承端面形成凹坑。